盐湖卤水环境下地下混凝土结构耐久性防护研究

马振庭

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

0 引言

近些年，我国城市地下空间的发展十分迅速，各大城市都兴起了修建地下工程的浪潮[1-3]。与一般的建筑工程结构相比，由于地下结构常常深埋于地下，因此其所面临的混凝土侵蚀问题显得尤为突出[4-5]。

20世纪70年代在我国香港所修建的部分地铁线路在建成20年之后就面临了混凝土内部钢筋产生严重锈蚀的问题。上海打浦路隧道在修建完成后不到20年的时间内也出现了和香港地铁一样的混凝土内部钢筋锈蚀进而导致混凝土层脱落的现象。北京地铁某线路在开始运营后的几年时间内，便发现了隧道衬砌管片出现了穿孔现象。种种案例均表明，地铁隧道混凝土耐久性所面临的问题十分严峻和普遍。

目前正是我国地下空间建设的大发展时期，在腐蚀性水土环境中混凝土结构如不采取有效措施，必将面临大量的工程病害问题。西宁地区地下水土中富含Cl-与SO42-，Cl-侵蚀会导致钢筋锈蚀，SO42-的侵蚀会严重影响混凝土性能。因此，针对西宁火车站地下配套建设工程所面临的强腐蚀性水土环境，运用合理研究手段，开展盐湖卤水环境下地下混凝土耐久性和综合防治技术研究迫在眉睫。

1 腐蚀机理

场地勘察报告表明，工程所在区域地下水的组成主要包括两部分，分别为孔隙型潜水以及基岩裂隙水，二者共同构成了SO42--Cl--Na+型盐湖卤水，普通混凝土1～3d即发生严重化学腐蚀破坏。当Cl-透过混凝土接触到内部钢筋时，会使钢筋发生锈蚀，进而导致混凝土开裂甚至危及工程结构物的安全性能。工程概况及水土腐蚀性评价详见文献[6]。

1.1 硫酸盐对混凝土的腐蚀机理

硫酸盐对混凝土所引起的腐蚀破坏主要是化学反应及物理膨胀两方面共同作用的结果，见图1。

图1 硫酸盐对混凝土的腐蚀机理

物理化学型侵蚀破坏具体表现为硫酸盐与水泥凝结时的水化产物进行化学反应，产生具有膨胀效应的结晶物，使得混凝土内部开裂崩坏。依据结晶物化学组成的不同，物理化学型侵蚀破坏主要可以划分为两类，分别为钙矾石型结晶和石膏型结晶。现有的研究资料表明：当SO42-浓度较低时，结晶物产物主要是由钙矾石晶体构成；当SO42-的浓度开始稳步增长时，逐步产生石膏型结晶体，与此同时，钙矾石晶体逐渐减少；当SO42-浓度大到一定程度时，石膏型结晶体则构成了结晶物的主要组成部分。

物理破坏则主要体现在结晶体侵蚀，主要表现在周围土体中的SO42-透过混凝土表面渗入到其内部，当外界湿度大幅减小时，混凝土所包含的水分开始逐渐向外界蒸发，使得内部的硫酸盐晶体析出，生成相应的结晶压力，使得混凝土内部开裂崩坏。

1.2 Cl-对钢筋的腐蚀机理

Cl-对钢筋的腐蚀主要表现在其透过混凝土表面裂缝侵入到其内部，与钢筋发生反应生成Fe2+，随后在水和氧气的协同作用下，产生具有膨胀效应的氢氧化铁(Fe(OH)3)以及氧化铁(Fe2O3)，从而对钢筋产生了破坏作用。与此同时，随着化学反应的不断加剧，相应产物的体积也在不断增加，使得混凝土膨胀开裂，腐蚀机理如图2所示。

图2 Cl-对钢筋的腐蚀机理

大量的工程资料表明：盐湖卤水使钢筋混凝土结构形成严重腐蚀的主要位置是混凝土结构与其的接触面处[7-8]。所以，为提高结构的耐久性，应该采取相应措施，以控制SO42-和Cl-透进混凝土时的浓度[9]。

对于本工程这种环境作用等级超过V-E级环境[10]，目前国内外相应的研究并不是十分丰富，因此，本文对其从设计与施工两方面展开了相应的防腐防渗研究。

2 混凝土抗腐蚀性设计要点

依据目前所掌握的工程场地的地质条件与研究方向，在混凝土构件的设计与施工中应着重考虑与地下水或盐渍土直接接触的混凝土构件的防腐措施，以加强结构的正常使用性能[11]。

2.1 采用高性能混凝土

高性能混凝土(HPC)是近年来才兴起的一种具有优良性能的新型混凝土，它是使用普通的原材料与常规的制备工艺生产出的一种具有高耐久性的工程混凝土。考虑到该工程位于强腐蚀性的盐渍土环境下，所以应采用高性能混凝土框架结构。顶板和盖梁使用Ca45型混凝土，地下一层中板与梁、侧墙、底板、桩基等采用Ca60高性能混凝土。

(1)水泥

选用PO.42.5级(C50以下)以及PO.52.5级(C50及以上)的P·I型普通硅酸盐水泥。

(2)矿物掺合料(矿物外加剂)

对于高性能抗腐蚀混凝土，宜掺入多种复合型矿物外加剂，用来增强结构混凝土的耐久性和对内部钢筋的阻锈能力。

掺合料的种类包含粉煤灰、磨细矿渣和硅灰等。为有效避免碱-集料反应的产生，在加入掺合料前，需检测Na2O当量碱含量，确保总碱含量不超过0.5kg/m3。此外，从矿物掺合料中所带来的Cl-含量应低于胶凝材料整体重量的0.01%；SO42-含量也应低于胶凝材料整体重量的1%。

(3)集料

在集料选择时，应该着力避免采用活性集料，以防止碱-集料反应的发生。与此同时，采用合理的各级粒径颗粒的分配，以提高混凝土的拌合性。

细集料应采用细度模数在2.6～2.9之间质地坚硬的天然砂粒，并且含泥量不应大于2.0%，云母含量低于2%。粗集料应质地坚硬，抗腐蚀性能优异，吸水性小，松散堆积密度大于1 450kg/m3，空隙率低于45%，含泥量小于0.8%，压碎指标小于12%。作为粗集料来源的岩石抗压强度与对应混凝土的抗压强度之比要大于等于2，同时，粒径大小也应满足设计与施工要求。

从集料中所带来的Cl-含量应低于胶凝材料整体质量的0.005%；SO42-含量低于胶凝材料整体质量的1%，含碱量应小于0.5kg/m3。

(4)化学外加剂

本工程所应用的化学外加剂主要包含钢筋阻锈剂、减水剂、缓凝剂和引气剂。所使用的化学外加剂中均不含K+,Na+,SO42-,Cl-。

(5)拌和水

拌合水不得采用废水以及pH值小于5的酸性水，并且水中Cl-的总含量小于200mg/L，SO42-的总含量小于500mg/L。与此同时，水中也不应存在影响水泥正常凝结的不利物质。

2.2 控制水胶比和胶凝材料用量

水胶比、胶凝材料用量是混凝土耐久性的一个重要指标，设计中应结合实际项目所处的环境类别、作用等级、使用年限等指标确定水胶比、胶凝材料具体用量。本工程根据项目实际情况，按《混凝土结构耐久性设计标准》(GB/T 50476—2019)[10]相关规定，确定的具体指标见表1。

2.3 明确常用混凝土耐久性参数指标要求

常用的混凝土耐久参数性指标包括一般环境下的混凝土抗渗等级、冻融环境下的抗冻耐久性指数、氯化物环境下的氯离子扩散系数等[10]。本工程设计使用年限100年，针对项目环境具体情况，参照耐久性相关规范要求对与土直接接触的结构构件耐久性指标进行明确，具体指标详见表2。

2.4 控制保护层厚度

依据工程场地的地质条件，设计结构各个部位的混凝土保护层厚度(表3)，以预防外界盐湖卤水中腐蚀物质的侵入。

2.5 附加防腐蚀手段

依据现场地质条件及结构各部位自身的工程特点，对相应的重点位置展开了必要的防腐蚀设计，详见表4。

3 混凝土抗腐蚀性施工要点

3.1 混凝土施工

在施工前，需要对混凝土开展相应的配合比试验，以确保混凝土的强度及耐久性；胶凝材料及最大水胶比符合相应的设计要求，Ca60以下最大需水量不应该大于150kg/m3；拌合时适量引气，以增强高性能混凝土的抗冻能力，新拌混凝土的含气量要求控制在4%～7%之间。

混凝土浇筑前，所有参与混凝土浇注的工程技术人员在登上操作面前，需要在一个就近的位置集中冲洗，避免设备尤其是工程人员鞋底携盐进入混凝土浇筑场地。混凝土浇筑入模的工作性能，应符合表5的要求。

胶凝材料用量以及水胶比 表1

常用混凝土耐久性指标 表2

结构各部位保护层厚度 表3

附加防腐蚀手段 表4

混凝土浇筑入模的工作性能 表5

由于高性能混凝土水胶比较低，所以在混凝土浇筑后应当迅速加以覆盖并及时加湿养护，养护期限至少为7d，且场地混凝土的强度至少达到28d标准养护强度的一半。

拆除模板时，不仅需要考虑混凝土的强度也需要考虑结构混凝土的内外温差，防止因接触空气时温差较大所导致的混凝土龟裂。

3.2 混凝土保护层控制

本项目使用保护层定位夹以确保钢筋定位准确，钢筋安装时保护层厚度的允许误差：板、墙结构+3mm和-0mm；梁、柱结构+5mm和-0mm；基础+10mm和-0mm；桩基±10mm。应当注意的是，混凝土保护层内部严禁出现钢丝及杂物。

浇筑混凝土前，应注意以下事项：1)保护层定位夹的位置和数量以及固定的稳定性；2)钢筋、预埋件的尺寸规格、数量及位置，确保与图纸一致；3)混凝土模板的紧固性，防止在浇筑混凝土时模板发生破坏。浇筑完毕后，应用非破损法检测工程场地混凝土的保护层厚度，确保满足设计及《混凝土结构工程施工规范》(GB 50666—2011)要求。

3.3 钢筋施工

普通钢筋的堆放，加工必须在一个相对封闭的厂房内进行，不得将钢筋、施工钢板等与地表混凝土直接接触，避免钢筋受盐渍土影响。同时施工用砂石料场地也需要采取覆盖施以避免接触到盐渍土。

3.4 涂装施工

3.4.1 涂装

在标准养护28d后，即可对混凝土结构展开涂装工作。涂装前，使用高压水枪对混凝土表面展开清洁工作，去除混凝土表面附着的油泥和松散堆积物；清洁完毕后，使用吸湿工具(海绵)或压缩空气使得混凝土处于表干状态，以利于下一环节的涂装工作；下一阶段涂装工作开始前，应对上一阶段的涂层进行清洁处理，若上一涂层因过于光滑而影响到下一阶段的涂层施工时，应对其打毛，以利于下一阶段的涂装工作。

涂装工作完成后，应对涂层的厚度展开量测，具体的量测方法是在50m2内随机选取一个测点，且总测点数至少为30个。当涂层厚度不满足设计要求时应依据工程现场实际情况进行局部或是整体补涂。

涂装结束3d后，对涂层表观进行检测，确保涂层无气泡和剥落。

3.4.2 硅烷浸渍

浸渍材料在阴凉干燥且远离火源处进行存放，并设置相应的警示牌。材料启封后应在72h之内使用完毕。

硅烷在浸渍前需开展喷涂试验，试验区域控制在1～5m2之间。喷涂完成后，在试验区域内钻芯取样，并对所选取的样本开展氯化物吸收量的降低效果、吸水率以及硅烷浸渍深度等指标的检测。当检测通过时，才可对混凝土结构进行浸渍。

浸渍硅烷的混凝土龄期至少为28d，当开始进行硅烷浸渍时，应先用铲刀铲去表面的松散附着物再用水泥浆液修补蜂窝麻面。

浸渍完毕后开始进行质量验收，以500m2作为一个质检批次，当质量验收的检测结论不满足下列的任意一项时，应当再次进行硅烷浸渍：1)混凝土的平均吸水率小于0.01mm/min1/2。2)强度等级低于C45的混凝土，浸渍深度至少要为3～4mm；强度等级高于C45的混凝土，浸渍深度则应该达到2～3mm。3)氯化物含量平均降低至少为90%。

3.4.3 钢筋涂层

钢筋在涂层前应确保其表面无污物及铁锈等松散附着物，且清洁度达到《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2015)及《环氧树脂涂层钢筋》(JG/T 502—2016)要求。

钢筋表面经过清洁处理后，应在4h之内开始进行涂装工作，涂料在使用之前应拌合均匀，且每间隔15min就应重新搅拌一次。涂装工作总共分为三步开展，依次为涂装底漆、中间漆和面漆。

漆膜表面光洁，无挂流、漏涂、孔针、发白、起泡、缩孔等任何漆膜弊病，并且干膜厚度应符合规范《环氧树脂涂层钢筋》(JG/T 502—2016)相关要求。

4 试验概况

4.1 试件设计

本次试验选用PO.42.5型普通硅酸盐水泥，混凝土的材料用量详见表6、表7。试验中，制备尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试块40个，其中普通混凝土(OPC)与高性能混凝土(HPC)试块各20个。

混凝土原材料使用量/(kg/m3) 表6

试验用高性能混凝土按15%的粉煤灰、25%的磨细矿粉、3%的硅灰加入矿物掺和料，同时按1.36kg/m3的比例加入改性聚酯纤维。

试件在养护24h后拆模，再标准养护7d。依据文献[6]选定质量分数为10.0%的Na2SO4溶液作为腐蚀液，并用清水作对照试验，试件完全浸泡在腐蚀溶液中，试件分组情况见表7。

试件分组 表7

4.2 试验过程

试验仪器采用电液伺服压力机，加载速率控制在0.5MPa/s。从试件养护7d后起，每间隔30d对各溶液中的试件展开一次单轴抗压试验，并统计相关数据。

4.3 试验结果

经整理，试验结果如图3所示。从图中可以发现，在清水中随着试验时间的不断增加，4组试件的抗压强度均逐渐增大，并在最后趋于稳定。在浓度10.0%的Na2SO4溶液中，试件抗压强度随时间的变化趋势大体可分为3个阶段。

图3 试件抗压强度随时间的变化

第一阶段，4组试件的抗压强度随着时间的增加而逐步增大，并且均高于同龄期在清水中试件的抗压强度。造成这一现象的主要原因是在腐蚀前期，硫酸盐的膨胀作用在一定程度上提高了混凝土的密实性，从而使得混凝土的抗压强度得到了较为明显的增加。

第二阶段，4组试件的抗压强度增速缓慢，出现了抗压强度小于同期在清水中抗压强度的趋势。这是因为一方面水泥水化反应继续进行，增加了混凝土的强度，而另一方面随着腐蚀的不断进行，混凝土的强度逐步降低。这两种矛盾因素的共同作用使得试件抗压强度随时间的变化曲线出现第二阶段的这种发展趋势。

第三阶段，试件O1，O2的抗压强度极剧减小，并远远小于同期在清水中的抗压强度，试件H1，H2的抗压强度缓慢减小，并小于同期在清水中的抗压强度。可以发现，本工程所采用的高性能混凝土的抗腐蚀性能要远远高于普通混凝土。

5 结语

通过对混凝土材料的腐蚀机理的分析及现场试验研究，从设计及施工两方面提出混凝土抗腐蚀设计的总体思路，主要成果如下：

(1)对于环境作用等级较高的工程，在考虑防腐防渗时应采取多重防护措施与手段综合处理，以满足结构耐久性的需求。

(2)从研究混凝土的组成成分出发，分析了原材料(水泥品种、矿物掺和料、集料、化学外加剂、及拌合水的水质情况)对混凝土耐腐蚀性能的影响，结果表明，通过混凝土配合比的优化设计，能够获得具有防腐蚀和耐久性的高性能混凝土。提出了应用于盐渍土环境下高性能混凝土掺加料的定量指标。

(3)工程施工过程中，应强化对各个施工环节的控制，严格把握质量关，使得混凝土的水灰比、坍落度以及保护层厚度等在设计要求的范围内，同时要重视钢筋施工以及后期的涂装工作，多管齐下，确保高性能抗腐蚀混凝土的各项物理力学指标符合设计与施工的要求。

(4)通过开展混凝土抗腐蚀试验，验证工程所用高性能混凝土在盐湖卤水环境中具有极佳的抗腐蚀能力。